采用疏干降壓法施工井筒表土層的應(yīng)用分析

孫正禮 吳敬海

摘 要： 疏干降壓法是借助專門的工程（如疏水巷道、放水鉆孔、吸水鉆孔等）及相應(yīng)的排水設(shè)備，使影響采掘安全的含水層降低水位水壓或造成不同規(guī)模的降落漏斗，使之局部疏干，使用疏干降壓法可邊疏壓，邊施工巷道，基本不需停止巷道施工。

關(guān)鍵詞： 疏水井；疏干降壓法；經(jīng)濟實用

1引言

韓臺煤田為山前沖積平原，第四紀沖積物厚度約為28～30m，其下為二疊、石灰紀含煤地層，第四紀沖積物由黃、棕黃、黃褐色粘土、亞粘土組成，中上部具有較多鈣質(zhì)結(jié)核（俗稱姜結(jié)石），下部含豆?fàn)铊F錳質(zhì)結(jié)核。從開挖明槽實際揭露情況可知，在無水情況下，粘土呈硬塑狀態(tài)，開挖后不垮落，在有水滲流情況下，粘土?xí)粩啾澜猓敝列纬杀容^穩(wěn)定的坡面。

第四紀沖擊層所含潛水主要補給源為大氣降水，地表水具有區(qū)域和季節(jié)性特征，井筒施工時遇雨水較多，土層中水量較大時增強2～3倍，施工區(qū)域潛水面基本為—平面，水的運動方式主要為層流，運動緩慢，與周圍河流的相互補給現(xiàn)象較少。

2井筒施工段工程地質(zhì)條件

2.1表土層巖性及特征

施工段表土層根據(jù)其顏色劃分為四層：

最上層為約2.0m厚的黃色耕作層粘土，顆粒明顯，粘結(jié)性大，整體性較好。

其下為厚約5.7m的黃色粘土，含較多直徑2～5cm鈣質(zhì)結(jié)核（姜結(jié)石），該層粘土較松散，整體性較差，滲水能力較強。

再往下為厚約13.8m的黃色粘土，含少量的鈣質(zhì)結(jié)核，該層粘土整體性較好，但滲水后即行崩散，在該層粘土中下部夾有0.2～0.8m薄層直徑1～2mm的豆?fàn)睢i粒狀鐵錳質(zhì)結(jié)核（黑沙層），沙層透水性好，穩(wěn)定性差。

表土層最下部為厚約8.0m的灰白色粘土，含大量直徑3～5cm鈣質(zhì)結(jié)核，該層粘土粘結(jié)性好，但滲水后即行崩散。

表土層下為灰白色中砂巖，風(fēng)化嚴重。

2.2表土層粘土力學(xué)性質(zhì)

通過試驗及資料可知粘土的各項力學(xué)指標(biāo)：含水量W=20%，天然密度p=1.7g/cm3，液限WL=28%，塑性指數(shù)IP=12.0，孔隙比e=0.95，壓縮系數(shù)為a1-22.5*10-7Pa-1，，承載力為3*105Pa，變形模量E0=20—28MPa，自由膨脹率Fs=20%。

2.3表土層水文地質(zhì)特性

表土層以大氣降水為主要充水水源，隨著季節(jié)變化明顯，在施工期間，根據(jù)抽水試驗測得單位涌水量為0.017L/（s.m），在過量開采情況下，土層水位會因水量供給不足而下降。

2.4施工段工程地質(zhì)評價

2.4.1土層穩(wěn)定性：粘土層地應(yīng)力值為15—25MPa，土層強度Rb<30MPa，，該粘土層穩(wěn)定性差。土層粘聚力C50---80KPa，在自然條件下呈硬塑狀態(tài)，在較短時間（3—5d）內(nèi)呈穩(wěn)定狀態(tài)，開挖不垮落，但粘土水理性質(zhì)極差，軟化系數(shù)僅為0.2—0.5左右，在浸水條件下發(fā)生崩解，喪失承載力，其自由膨脹率可達20%左右。

2.4.2土層滲透性：根據(jù)抽水試驗可得Q=160m3/d，w=164㎡在穩(wěn)定平面條件下I=1，由于潛水以穩(wěn)定層流的方式運動，符合達西定律，有Q=KWI，式中：Q—滲透流量，m3/d：K—滲透系數(shù)，m/d；w—過水?dāng)嗝婷娣e，㎡；I—水力坡度，I=1；由（1）式，可得K=0.98m/d所以該土層屬弱透水層。

3施工方案的選擇

3.1施工方法的比較

因表土層在無水情況下穩(wěn)定性大幅度提高，因此，斜井表土段施工首先要解決的問題是消除水的影響，在現(xiàn)階段治水主要有以下三種：凍結(jié)法，注漿法、疏干降壓法。

3.1.1凍結(jié)法：是在井筒開挖之前，用人工制冷方法將井筒周圍的地層凍成一個封閉的不透水帷幕—凍結(jié)壁，以抵抗地壓和水壓，隔絕周圍地下水與井筒的聯(lián)系，并在其保護下，進行掘砌施工，凍結(jié)所用設(shè)備安裝及冷凍符合要求約需兩個月，在此期間井筒不能施工，本礦需凍結(jié)井筒長度120m，初步計算凍結(jié)費用100余萬元，凍結(jié)法可完全隔絕井筒與外界水丟的聯(lián)系，井筒施工方便。

3.1.2注漿法注漿法：是注入可凝結(jié)的水泥、水玻璃混合液，充填土層縫隙，以達到減小井筒通水，為掘砌創(chuàng)造良好工作條件的施工方法。從地面注漿需一個月，工程費用40余萬元。粘土孔隙較小，裂隙少，水泥、水玻璃分子粒度大，不能有效充填期間，井筒周圍土層涌水減小有限，且因水泥與粘土的親合性弱，不能使土層成為比較堅固的整體，不能達到施工要求。

3.1.3疏干降壓法：疏干降壓法是借助專門的工程（如疏水巷道、放水鉆孔、吸水鉆孔等）及相應(yīng)的排水設(shè)備，使影響巷道施工安全的含水層降低水位水壓或造成不同規(guī)模的降落漏斗，使之局部疏干，使用疏干降壓發(fā)可邊疏壓邊施工巷道，基本不需停止巷道施工。從礦井生產(chǎn)建設(shè)實際出發(fā)，適于使用抽水大鉆孔，即疏水井。預(yù)計投入10萬元即可基本控制住水，實現(xiàn)施工目的。

通過比較，我們認為疏干降壓法經(jīng)濟實用，比較適合我礦情況，決定施工抽水大鉆孔—疏水井來防治表土層中的水。

3.2疏水井工作原理

為了最大限度的發(fā)揮疏水井的功效，在井筒兩側(cè)打疏水井進行疏干表土層水，若井筒標(biāo)高h小于水位降深S1，則井筒處于土層中的水會被疏干，達到施工要求。井筒兩側(cè)兩個疏水井同時工作時，符合干擾井群條件，得干擾井群流量公式：

Q總= 式中：Q總—干擾井群總流量，m3/d；K—滲透系數(shù)，m/d；H0—靜止水位，m；S0—疏水井中水位降深，m；R—干擾井群區(qū)域影響半徑，m；r0—疏水井半徑，m；x1-2—兩疏水井間距離，m；

因井的分布比較集中，降落漏斗接近圓形，其范圍大于井群所占的地段，所以可認為各井的影響半徑相等，并等于區(qū)域影響半徑R，且兩井深度、流量相等，由于干擾群基本方程得A點動水位HA=

式中：HA---A點的動水位，m；Q總-----干擾井群總流量，m3/d；其余參數(shù)意義同前。選定參數(shù)r0=0.3m，H0=28m，S0=28m，X1=X2=5m，X1---2=10m。由（1）可知，單個疏水井工作時流量Q=51.7m3/d在保持水位降深不變情況下，Q總《2Q（4），由（2）（3）（4）可得，HA《5.97m即在S1≤H0--HA≤22.03m范圍內(nèi)，土層被疏干，隨著疏水井的增多，在保持S0不變的情況下，S1會增大。

在實際布置中，為了最大限度地達到疏水的功效，沿井筒縱向布置成兩組直線排列的疏水井，井間距10m，疏水井與巷道中心間距5m（如圖1所示），疏水直徑600mm，用直徑500mm水泥花管做支護，過濾材料，在水泥花管與井壁與井壁充填直徑10—20mm石子作充填料，由（1）可知各井流量Q≤51.7m3/d，使用10m3/h潛水泵定時排水即可。

4施工效果及經(jīng)濟效益

4.1疏水井使用后，上部井筒周圍土層中水被疏干，土層在開挖后3—5d內(nèi)呈穩(wěn)定狀態(tài)，自撐時間大幅度提高，為井筒的支護提供了充足的時間，使掘砌工作順利進行，達到了施工疏水井的目的。

4.2經(jīng)濟效益

采用疏水井費用低廉，平均每口井花費四千元，主、副斜井兩側(cè)施工17口疏水井，總計花費約七萬元，比凍結(jié)法和注漿法費用低很多，且不影響井筒施工，工程造價低，工期短，經(jīng)濟實用。

5結(jié)語

疏干降壓對提高巖土層自身穩(wěn)定性，增大巖土層自撐時間具有明顯效果，尤其是對于粘土巖層，效果更明顯，因粘土層粘著力較大，但水理性質(zhì)較差，減少了水對粘土的影響，相應(yīng)就提高了粘土的穩(wěn)定性。在實際應(yīng)用中，應(yīng)注意土層與巖層接觸水的疏干，因疏水井只能是一個個孤立的點，疏水間距不能無限縮小，所以HA不可能為零，即土層與巖層分界處會有動水位。在實際巷道施工時，在土層與巖層分界處涌水量增多，可考慮在巷道的巖、土分界周圍加密布置疏水井，使之呈環(huán)形排列，使巷道處于環(huán)形排列干擾井群之中，效果會更好。

參考文獻

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